球墨铸铁等温处置的相变及机理研究上贝氏体Word下载.docx
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完成日期:
2007年6月24日
摘要
本论文研究的目的是在控制水冷-等温的条件下,取得均匀的上贝氏体+奥氏体的球墨铸铁。
观察在不同条件下取得的显微组织形态,分析组织形成的原因及转化机理。
实验研究发现:
Φ22mm试样采用40℃的水冷却,停留3-5秒、60℃的水停留3-7秒、80℃水停留5-11秒,均能取得均匀上贝氏体+奥氏体组织。
按照IT曲线分析:
随着淬火时间的增加,可以依次取得屈氏体、屈氏体+上贝氏体+残余奥氏体、上贝氏体+残余奥氏体、上贝氏体+下贝氏体+残余奥氏体、上贝氏体+下贝氏体+马氏体+残余奥氏体。
硬度逐渐升高。
观察发现,冷却时间短时,碳的扩散能力较强,形成的铁素体板条较宽,而且条间距离也较大;
随着冷却时间的延长,碳的扩散能力下降,形成了羽毛状的上贝氏体,由于硅元素的存在,抑制了碳化物的析出,贝氏体之间以奥氏体为主。
关键词:
水冷-等温;
上贝氏体;
冷却时间;
硅
PhaseTransformationandMechanismStudyofIsothermalTreatment
fortheDuctileCastIron(UpperBininte)
ABSTRACT
Thepurposeofthisresearchpaperisundertheconditionofwatercooling––isothermaltoachieveuniformductilecastironofupperbaininteandaustenite,andoverpassobservingthemicrostructurefeatureswhichgainedatdifferentconditiontoanalyzethecausesandtransformingreactionmechanismofformationorganizing.
Itwillbediscoveredoverpassthisexperimentresearchthat:
theuniformorganizeofupperbaininteandausteniteofΦ22mmsamplecanbegotbyadoptingwaterof40℃tocoolingdownandretaining3-5seconds,adoptingwaterof60℃tocoolingdownandretaining3-7seconds,adoptingwaterof80℃tocoolingdownandretaining5-11secondsseparately.AnalyzedbyITcurvescanget:
tootsie,tootsieandupperbaininteandresidualaustenite,upperbaininteandresidualaustenite,upperbaininteandlowerbaininteandresidualaustenite,upperbaininteandlowerbaininteandmarteniteandresidualaustenitecanbeacquiredinturnalongwiththelengthenofthequenchingtime,andsurfacehardnessrisinggradually.Overpasstheobservationitisdiscoveredthatwhenthetimeofcoolingshorten,thediffusivityofcarbonbecomesstronger,ferritebattenofformativebecomeswider,thedistanceofbaralsobecomesbiger;
thediffusivityofcarbondecreaseswiththecoolingtimestretching,andengendersplume-likeupperbainintebecauseoftheexistenceofsiliconelement,thecarbideprecipitationrestrains,theausteniteisthemajorphaseamongthebaininte.
KeyWords:
watercooling-isothermal;
upperbaninte;
coolingtime;
silicon
1前言
选题背景
等温淬火贝氏体球墨铸铁(又称奥氏体—球墨铸铁)具有强度、塑性和韧度都很高的综合机械性能,它显著地优于通过调制处置的球磨铸铁,也优于珠光体—铁素体球墨铸铁。
例如它的抗拉强度可达1000MPa,伸长率可达10%,特别是,这种铸铁有很高的弯曲疲劳强度和良好的耐磨性,因此,等温淬火贝氏铁球墨铸铁的出现被誉为是近40年来铸铁冶金方面的重大成绩之一[1~5]。
1949年曾经预言,针状组织(贝氏体)铸铁可能是力学性能最好的铸铁。
1952年美国InternationHarvester公司对球墨铸铁进行了大量的热处置实验,其中包括等温淬火热处置,实验成功的的取得了具有硬度高韧性好而且又耐磨的球墨铸铁,其力学性能为:
抗拉强度1034MPa,屈服强度1760MPa,伸长.率为8%,硬度为340HBS,用这种材质可代替高锰钢制作均用车的履带板[6~9]。
20世纪70年代末,有中国芬兰Kymi公司和美国通用汽车公司彼此独立,又几乎同时地宣布各自研究成功了贝氏体球墨铸铁,均是制作汽车曲线齿椎齿轮。
其中,美国通用汽车公司于1976年宣布,采用等温淬火贝氏体球墨铸铁代替锻钢制作Pontiac轿车的桥曲线齿椎齿轮副取得成功,年生产量达100万副,为此,取得了美国设计奖,还要指出的是,中国研究成功的是下贝氏体球墨铸铁;
美国研究成功的是下贝氏体+少部份马氏体组织的球墨铸铁;
而芬兰研究成功的是上贝氏体+少量奥氏体组织的球墨铸铁[10~15]。
在这三种贝氏体球墨铸铁中,芬兰研究成功的体积分数为20%~40%的奥氏体,其余上贝氏体基体组织的球墨铸铁,性能最优良。
由于基体组织中是以贝氏体为主;
又由于这种贝氏体式要通过等温淬火热处置取得,所以,把这种球墨铸铁叫做等温淬火贝氏体球墨铸铁。
就广义来讲,通过等温淬火,可以取得上贝氏体+奥氏体;
下贝氏体;
下贝氏体+马氏体的基体组织。
这是由于不同的淬火温度所决定的。
1978年以来工程界已知等温淬火贝氏体球墨铸铁的抗拉强度是普通珠光体-铁素体球墨铸铁的两倍,而且,同时又保留了良好的伸长率和冲击韧度[17~20]。
贝氏体球墨铸铁现状
贝氏体球墨铸铁是应用等温淬火的方式生产制造的。
贝氏体等温淬火法是将加热好的工件置于温度高于Ms点的淬火介质中,维持一按时间,使其转变成下贝氏体,然后掏出空冷。
该方式的显著特点是在保证有较高强度的同时,还保证有较高的韧性,同时淬火变形也较小[21~25]。
对于有必然尺寸断面和必然尺寸的球墨铸铁件来讲,要想取得理想的等温转变处置结果,则采用的等温淬火介质必需具有足够快的冷却速度。
在进行奥氏体等转变时,一般是在淬火介质中采用硝酸盐形成盐浴[27~31]。
用硝酸盐作为淬火介质可以稳定生产合格的贝氏体球墨铸铁件,这在国内外均已普遍应用。
等温淬火后的基体组织不仅取决于含碳量及其它化学成份,也取决于由奥氏体温度冷却等温转变时的进程。
当转变温度为350~470℃时,按一般方式的转变,首先沉淀析出针状的、碳呈过饱和的铁素体,不能再溶解的碳则富集在奥氏体中,此时,奥氏体中的碳的质量分数可达到2%。
随着转变温度的降低,针状铁素体细化。
在转变进程中针状铁素体量增加,而且由于此时奥氏体中碳的含量增加使奥氏体取得稳定。
由于转变时间的不同,可以把转变进程分成三个区,开始时,经短暂的转变以后,因含碳量不足,先形成的奥氏体在室温转变是形成马氏体;
在中间区域,当奥氏体的体积分数在25%~50%的情况下,乃至直到-100℃以下,奥氏体也呈稳定状态。
在转变超级缓慢的情况下,再也不有硅镍富集,而硅的富集可以抑制碳从高度过饱和的奥氏体中沉淀析出;
在第三区域中,大多数析出呈针状或板条状的硅-碳化物,由此,奥氏体变得失稳并变成针状铁素体。
在400℃时保温时间超过1h.,转变的第三阶段就会发生。
另外。
降低转变温度或附加合金元素,都会显著的阻碍硅-碳化物的沉淀析出[32~35]。
转变温度对基体组织的影响。
在超过400℃时候转变超级快,在实验室条件下,可以取得硅-碳化物;
但在实际生产进程中,由于铸铁冷却缓慢,则取得针状铁素体和碳化物。
在低于350℃时候,大部份奥氏体都超级稳定,以致不会发生转变,直到室温把马氏体包围起来。
球墨铸铁中的硅含量高,由此抑制了贝氏体转变时候伴随形成的碳化物,这种由于针状铁素体的形成而使碳富集到残余奥氏体中。
在奥氏体化温度维持足够时间后,则奥氏体中含碳量将富集到足够的程度,乃至它到室温后仍然足够稳定。
这就是奥氏体转变的第一阶段,结果形成针状铁素体和碳富集的、稳定的奥氏体。
此时,基体组织中可含有体积分数为50%的奥氏体。
在奥氏体等温转变温度较低时。
碳的扩散速度明显下降,致使形成超级细小的、针状铁素体和稳定的奥氏体,并在针状铁素体中伴随有少量碳化物的沉淀析出。
在奥氏体温度维持时间不够时,就不可能有足够的碳使奥氏体稳定。
这样就会引发奥氏体转变成马氏体,而这主要取决于冷却到室温这段的冷速。
奥氏体化温度的维持时间也不希望太长,因为这样会致使已呈稳定的奥氏体分解,从而形成铁素体和碳化物,这就是通常所说的奥氏体等温转变的第二阶段。
这样的第二阶段也是应该避免的,因为它通常伴随塑性与韧度的急剧降低。
因此,所希望的球墨铸铁铸铁组织应该是由针状铁素体和相当数量的奥氏体组成。
其中,不希望有碳化物的沉淀析出。
在球墨铸铁中,第二阶段的开始可以在“完成”第一阶段以后显著的延缓。
此段区间,即第一阶段的结束至第二阶段的开始以前的这段区间,称为热处置工艺带(HeatTreatProcessingWindow)。
在此区间内:
针状铁素体合成稳定的奥氏体在形态和成份上只发生很小的转变。
热处置工艺带的长短,取决于许多因素,包括合金元素的含量、合金元素的偏析和等温淬火的温度。
第二阶段的发生及其对转变更力学的影响很小,因此他对实际没有很大的关系。
可是合金元素在球墨铸铁开始凝固时所呈现的偏析,则能显著的延缓在显微组织中局部区域发生的的奥氏体等温转变更力学学。
这种在显微组织中局部区域发生的、在转变更力学上的不同,能超级有效的的缩小乃至完全消除这条热处置工艺带。
当奥氏体等温温度超过370摄氏度以上的时候,在第一阶段可以发生无碳针状铁素体的沉淀析出。
由于碳在奥氏体中的扩散速度很快,致使碳从不断长大着的针状铁素体扩散到奥氏体中去,因此显著的增加了奥氏体中的含碳量。
在奥氏体等温转变以后,呈稳定状态的奥氏体中的碳的质量分数经测定为%~%,这样的测量值与硅的质量分数为%的球墨铸铁的理论含碳量相符合。
由此表明,奥氏体冷却至室温后变的稳定,亦即Ms点低于
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